Возбужденные атомы: 3. Миллионы безуспешных попыток

Схематичное изображение процесса излучения фотона возбужденным атомом

Схематичное изображение процесса излучения фотона возбужденным атомом. Электрон на возбужденном уровне может циркулировать многие миллионы «естественных» периодов, прежде чем вдруг соблаговолит испустить фотон и прыгнуть в основное состояние.

И сразу же нужно признаться: на предыдущей страничке мы чрезмерно упростили картину, умолчав о важной особенности. Теперь самое время немножко это описание поправить.

На самом деле, естественное время для электрона — это, условно говоря, период его движения в атоме T0. Это опорное число можно получить, просто поделив «длину атомной орбиты» на скорость

T0   =     2 π aB   ≈  100 ас,
v0

где aB ≈ 0,5 Å — боровский радиус, а v0 ≈ 0,01 c — скорость электрона в атоме водорода, а можно и из соотношения неопределенностей для энергии и времени:

T0   ≈       ≈   10−15 эВ · с   ≈  100 ас.
E0 10 эВ

В многоэлектронных атомах дело обстоит еще хитрее. Эти оценки более-менее подходят для внешних электронов, а вот для внутренних, которые располагаются близко к ядру и движутся быстрее, характерный период естественного движения получается еще меньше. Таким образом, внутренняя жизнь атома разворачивается на аттосекундных масштабах.

А мы на прошлой страничке привели совсем другое число — наносекунду. Это в миллионы раз больше, чем естественный «жизненный цикл» даже внешнего электрона, не говоря уж о внутренних. Сопоставляя эти вещи друг с другом, мы приходим к важному физическому выводу:

сам процесс излучения фотона — большая «головная боль» для электрона, а потому он замедлен по сравнению с естественным периодом электрона в атоме.

постоянная тонкой структуры

Причины тут две. Во-первых, электромагнитное взаимодействие не такое уж и сильное. Условно говоря, даже если электрон «готов излучать», он вначале подождет какое-то время, прежде чем породить вокруг себя квант электромагнитного поля. В формулах так получается потому, что безразмерная константа электромагнитного взаимодействия — она по историческим причинам называется постоянная тонкой структуры — не слишком велика.

Вторая причина такова: фотон — слишком большой для атома. Обычно на этом как-то не заостряется внимание в научно-популярных материалах. Более того, картинки, на которых схематично изображено, как возбужденный атом излучает фотон, создают обманчивое впечатление, будто фотончик — это что-то такое очень маленькое (увы, и наша иллюстрация тут не исключение!). На самом же деле минимальный размер оптического фотона в тысячу (!) раз больше размера атома. Поэтому процесс излучения следует представлять себе так: сначала был возбужденный атом, а потом произошел акт излучения, и рядом с маленьким атомом вдруг возник огромный — по атомным масштабам! — фотон, который затем полетел по своим делам.

Излученный фотон — большой! Его длина волны, а тем более размер — много больше размера атома

Излученный фотон — большой! Его длина волны, а тем более размер — много больше размера атома

Вот и получается, что совокупность этих двух эффектов — плохое «сцепление» с фотоном и его большущие размеры — затрудняет процесс излучения. Они оба так или иначе связаны со слабостью электромагнитного взаимодействия. Поэтому окончательный результат — во сколько раз время жизни больше периода движения электрона — выражается через ту же постоянную тонкой структуры:

τ (2P → 1S)   ≈   численный коэффициент ·  T0   ≈  107 T0.
α3

Иными словами, возбужденное состояние атома «ломается» не сразу же после возникновения. Электрон успевает прожить в таком состоянии как минимум несколько миллионов «естественных тактов» своей внутриатомной жизни, прежде чем он удосужится излучить фотон.


0
Написать комментарий

    Элементы

    © 2005-2017 «Элементы»